- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng các bộ chuyển đổi A/D và D/A.
- Giới thiệu được một số IC chuyển đổi thông dụng
- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác
Nội dung chính:
9.1. Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) Mục tiêu: Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng các bộ chuyển đổi A/D
9.1.1 Tổng quát về chuyển đổi DAC
a. Sơ đồ khối :
Bảng 9.1: Mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào Tổ hợp mã nhị phân ngõ vào Điện áp ở ngõ ra 000 001 010 011 100 101 110 111 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 9.1.2. Dạng tín hiệu ra
Hình 9.2: a)Dạng điện áp thu được sau bộ ADC b)Dạng điện áp thu được sau bộ lọc
b. Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi DAC
Bit có ý nghĩa thấp nhất (LSB) và bit có ý nghĩa cao nhất (MSB)
Qua các mạch biến đổi DAC kể trên ta thấy vị trí khác nhau của các bit trong số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi của một bit tùy thuộc vào trọng lượng của bit đó.
Nếu ta gọi trị toàn giai là VFS thì bit LSB có giá trị là: LSB = VFS / (2n - 1)
Điều này được thể hiện trong kết quả của thí dụ 2 ở trên. (Hình 9: ) là đặc tuyến chuyển đổi của một số nhị phân 3 bit
Hình9.3 a,b
(Hình 9.3a) là đặc tuyến lý tưởng, tuy nhiên, trong thực tế để đường trung bình của đặc tính chuyển đổi đi qua điểm 0 điện thế tương tự ra được làm lệch (1/2)LSB (Hình 9.3b). Như vậy điện thế tương tự ra được xem như thay đổi ở ngay giữa hai mã số nhị phân vào kế nhau. Thí dụ khi mã số nhị phân vào là 000 thì điện thế tương tự ra là 0 và điện thế tương tự ra sẽ lên nấc kế 000+(1/2)LSB rồi nấc kế tiếp ở 001+(1/2)LSB.v.v....Trị tương tự ra ứng với 001 gọi tắt là 1LSB và trị toàn giai VFS = 7LSB tương ứng với số 111
c. Sai số nguyên lượng hóa (quantization error)
Trong sự biến đổi, ta thấy ứng với một giá trị nhị phân vào, ta có một khoảng điện thế tương tự ra. Như vậy có một sai số trong biến đổi gọi là sai số nguyên lượng hóa và =(1/2)LSB
d. Độ phân giải (resolution)
Độ phân giải được hiểu là giá trị thay đổi nhỏ nhất của tín hiệu tương tự ra có thể có khi số nhị phân vào thay đổi. Độ phân giải còn được gọi là trị bước (step size) và bằng trọng lượng bit LSB.
Số nhị phân n bit có 2n giá trị và 2n - 1 bước Hiệu thế tương tự ra xác định bởi v0 = k.(B)2
Trong đó k chính là độ phân giải và (B)2 là số nhị phân Người ta thường tính phần trăm phân giải:
%res = (k / VFS)100 % Với số nhị phân n bit %res = [1 / (2n - 1)]100 %
Các nhà sản xuất thường dùng số bit của số nhị phân có thể được biến đổi để chỉ độ phân giải. Số bit càng lớn thì độ phân giải càng cao (finer resolution)
e. Độ tuyến tính (linearity)
Khi điện thế tương tự ra thay đổi đều với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính
f. Độ đúng (accuracy)
Độ đúng (còn gọi là độ chính xác) tuyệt đối của một DAC là hiệu số giữa điện thế tương tự ra và điện thế ra lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào. Hai số nhị phân kế nhau phải cho ra hai điện thế tương tự khác nhau đúng 1LSB, nếu không mạch có thể tuyến tính nhưng không đúng (Hình 9.4 a,b)
9.1.3.Mạch DAC dùng mạng điện trở có trị số khác
Hình 9.5: Sơ đồ mạch DAC dùng mạch điện trở
Trong mạch trên, nếu thay OP-AMP bởi một điện trở tải, ta có tín hiệu ra là dòng điện.
Như vậy OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện ra thành điện thế ra, đồng thời nó là một mạch cộng Ta có v0 = -RF.I = -(23b3 + 22b2 + 2b1+b0)Vr.RF/23R = -(2n-1 bn-1 + 2n-2 bn-2 + ...+ 2b1 + b0)Vr.RF /2n-1.R Nếu RF = R thì: v0 =-(2n-1 bn-1 + 2n-2 bn-2 + ...+ 2b1 + b0)Vr. /2n-1. Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân là 0000 thì v0 = 0 1111 thì v0 = -15Vr / 8 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết quả chuyển đổi như sau:
Bảng 9.2: Kết quả chuyển đổi
Mạch có một số hạn chế:
- Sự chính xác tùy thuộc vào điện trở và mức độ ổn định của nguồn tham chiếu Vr - Với số nhị phân nhiều bit thì cần các điện trở có giá trị rất lớn, khó thực hiện.
9.1.4. Mạch DAC sử dụng nguồn dòng
9.1.5. Mạch DAC dùng điện trở R và 2R
Hình 9.7: Sơ đồ mạch DAC dùng điện trở R và 2R
Cho RF = 2R và lần lượt
Cho b3 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -8(Vr /24) Cho b2 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B của tổ hợp bit
B = (b3 b2 b1 b0 )2 v0 = - B(Vr /24)